α－乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酸乙酯水解酶產生菌發酵培養基的響應面優化

袁 帥，王 普，何軍邀

（浙江工業大學 藥學院，浙江 杭州 310032）

α－乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酸乙酯水解酶產生菌發酵培養基的響應面優化

袁 帥，王 普，何軍邀

（浙江工業大學 藥學院，浙江 杭州 310032）

對耐酪氨酸冢村氏菌（Tsukamurellatyrosinosolvens）E105菌株生物拆分外消旋體α－乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酸乙酯制備左乙拉西坦關鍵手性中間體（S）-α－乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酸的發酵培養基進行優化，以提高其產酶活力.首先考察了碳源和氮源對菌種產酶活力的影響，并通過Plackett－Burman實驗得出影響該菌株產水解酶的最主要因素為酵母粉質量濃度和初始pH值.繼而采用中心組合實驗并結合響應面分析優化發酵培養基組成，確定了最佳的酵母粉質量濃度為12.1 g／L，最佳的初始pH值為7.06.在優化的條件下酶活力可達1 024.6 U／mL，較優化前提高了67%，表明采用響應面法優化發酵培養基組成是提高該菌株產酶活力的有效途徑之一.

α－乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酸乙酯；冢村氏菌；水解酶；響應面優化

左乙拉西坦（Levetiracetam，LEV，商品名Keppra?）是比利時聯合化學公司（UCB）研發的新一代抗癲癇藥物（AEDs）［1］，化學名為（S）-α－乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酰胺［2］，為具有吡咯烷酮結構的促智藥［3］.由于其獨特的抗癲癇機制，較理想的藥代動力學、高效安全的臨床效果，不與其他AEDs發生作用以及較少的副作用等特點［4－7］，1999年FDA正式批準將其用于16歲以上成人部分性癲癇發作的添加治療，2005年又將適應癥擴大到4歲以上兒童［8－9］.目前，LEV已在歐美廣泛使用［10］，2006年獲準在我國上市.目前報道的LEV制備方法主要采用化學合成，包括手性源法，手性拆分和不對稱合成［3，11］.但上述方法在制備LEV的過程中存在原料成本高、反應步驟繁瑣、環境污染大等問題.近年來，生物催化手性合成技術的發展為LEV的制備提供了新的途徑.國內外關于生物催化制備LEV的報道很少，僅見Tucker等［12］通過構建產腈水合酶NH33的大腸桿菌基因工程菌，利用其細胞裂解液拆分外消旋α－乙基-2-氧-1-吡咯烷乙腈制備 LEV，產率和e.e.值分別為46.1%和92%.（S）-α－乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酸是合成 LEV 的關鍵手性中間體［13－14］.本課題組前期已篩選得到一株可拆分外消旋α－乙基－2－氧-1-吡咯烷乙酸乙酯制備高光學活性（S）-α－乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酸的微生物菌株——耐酪氨酸冢村氏菌（Tsukamurellatyrosinosolvens）E105.利用該菌株進行生物催化拆分時，當產物（S）-α－乙基－2－氧-1-吡咯烷乙酸的e.e.值為99%時，產率可達到48%以上.有關利用Placktte-Burman設計和響應面法優化發酵培養基組成以提高菌種產酶活力已有一些文獻報道［15－18］.筆者在課題組菌種篩選的基礎上，通過對耐酪氨酸冢村氏菌（Tsukamurellatyrosinosolvens）E105菌株發酵培養基中碳源和氮源種類的單因素考察，繼而利用Placktte-Burman設計和響應面法優化得到最佳產酶培養基組成，旨在提高該新篩選所得菌株的產酶活力.

1 材料與方法

1.1 菌 種

耐酪氨酸冢村氏菌（Tsukamurellatyrosinosolvens）E105，本實驗室自行篩選獲得.

1.2 培養基及培養條件

斜面培養基：葡萄糖10.0 g／L，蛋白胨5.0 g／L，酵母粉2.0 g／L，（NH4）2SO42.0 g／L，K2HPO42.0 g／L，KH2PO41.0 g／L，NaCl 0.6 g／L，MgSO4·7H2O 0.6 g／L，瓊脂15.0 g／L，pH 7.0，30℃培養48 h.

種子培養基：葡萄糖10.0 g／L，蛋白胨5.0 g／L，酵母粉2.0 g／L，（NH4）2SO42.0 g／L，K2HPO42.0 g／L，KH2PO41.0 g／L，NaCl 0.6 g／L，MgSO4·7H2O 0.6 g／L，pH7.0.種子培養條件為30℃，200 r／min培養24 h.

初始發酵培養基組成同種子培養基.接種量體積分數為4%，250 mL搖瓶的裝液量為70 mL，30℃，200 r／min培養36 h.

1.3 生物催化合成（S）-α－乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酸

菌體培養36 h后，發酵液于4 500 r／min離心10 min，收集菌體，并用0.1 mol／L的磷酸緩沖液（pH 8.0）洗滌，離心，收集濕菌體.取細胞干重（DCW）為0.2 g的濕菌體，將其重新懸浮于10 mL磷酸緩沖液（0.1 mol／L，pH 8.0）中，加入100μL外消旋的α－乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酸乙酯，置旋轉式搖床200 r／min，30℃進行生物轉化反應，其生物拆分原理為

1.4 菌體量測定

細胞干重法.

1.5 α－乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酸濃度測定

按1.3方法進行生物轉化1 h后，反應液于8 000 r／min離心10 min，取上清液，0.45μm微濾，采用 HPLC法檢測轉化液中α－乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酸濃度.HPLC色譜條件：采用Agilent1200高效液相色譜儀，色譜柱為 Agilent-C18柱（5μm，4.6×250 nm），檢測波長210 nm，V（甲醇）∶V（醋酸銨緩沖液）＝20∶80（醋酸銨濃度20 mmol／L，pH 5.5），流速0.7 mL／min，室溫檢測，進樣量10μL.

酶活力單位定義：在上述反應條件下每小時生成1μgα－乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酸所需的酶量定義為一個酶活力單位（U）.

2 結果與討論

2.1 碳源的影響

以初始發酵培養基組成為對照，分別以質量濃度為20 g／L的可溶性淀粉、糊精、葡萄糖、麥芽糖和蔗糖為惟一碳源，考察其對產酶活力和菌體生長的影響.圖1結果表明：采用葡萄糖為惟一碳源時酶活力較高，此時細胞干重（DCW）達2.74 g／L.故選擇葡萄糖作為發酵培養基的碳源.繼而考察葡萄糖質量濃度分別為10，15，20，25，30，35 g／L時對產酶的影響，確定較佳的葡萄糖質量濃度為15 g／L.

圖1 不同種類碳源對酶活力和細胞生長的影響Fig.1 Effect of different carbon sources on enzyme activity and cell growth

2.2 氮源的影響

分別考察了酵母粉、牛肉膏、蛋白胨、（NH4）2SO4和NH4Cl為單一氮源對產酶活力和菌體生長的影響，添加酵母粉、牛肉膏、蛋白胨的質量濃度均為20 g／L.為保證無機氮源和有機氮源相近的含氮量，（NH4）2SO4和 NH4Cl分別以9.4 g／L和7.6 g／L的質量濃度添加.圖2結果表明：無機氮源中NH4Cl對菌體產酶更有利，有機氮源中酵母粉對菌體產酶更有利.NH4Cl一方面能夠促進水解酶的形成，另一方面可能減輕過多的代謝產物對產酶的抑制作用.酵母粉能夠提供更多產酶所需的維生素和微量元素，從而提高菌體產酶活力.采用有機氮源和無機氮源組成的復合氮源時的發酵結果將在后續的響應面實驗中進一步優化.

圖2 不同氮源對產酶活力和細胞生長的影響Fig.2 Effect of different nitrogen sources on enzyme activity and cell growth

2.3 Plackett-Burman實驗

通過Plackett-Burman實驗設計，對葡萄糖質量濃度（X1），酵母粉質量濃度（X2），NH4Cl質量濃度 （X3），培 養 基 初 始 pH 值 （X4），KH2PO4＋K2HPO4質量濃度（X5），NaCl質量濃度 （X6）和MgSO4·7H2O質量濃度（X7）等7個因素進行考察，以確定影響產酶活力的主要因素，各因素分別取2個水平，響應值Y為酶活力.實驗設計和結果見表1，各因素的水平與分析結果見表2.

表1 Plackett-Buman實驗設計和響應值Table 1 Plackett-Buman experimential design and its responding value

表2 酶活主要影響因素的回歸結果Table 2 The regression results of key factors on enzyme activity

從各因素影響的統計結果（表2）可知，酵母粉質量濃度（X2）和初始pH值（X4）的顯著性系數（T）較高，且在95%置信區間內對產酶有顯著影響，而其他因素的影響不大.模型的R2＝0.998，表明其擬合度較高.

2.4 響應面優化

根據Plackett-Burman實驗結果，采用Draper／Lin實驗設計進一步優化酵母粉質量濃度（X2）和培養基初始pH（X4），各因素分別取5個水平.實驗設計和結果見表3.

表3 響應面優化中的變量及其各級中心復合旋轉設計Table 3 Variables and their levels for the central composite rotatory design for response surface optimization

Draper／Lin中心組合實驗共包括13個實驗點，其中因子實驗8個，中心點實驗5個，所得結果見表4，以酶活為響應值的回歸結果如表5所示，其中酵母粉質量濃度的一次項X2（p＝0.000 1）和二次項X22（p＝0.000 1）、培養基初始pH 的一次項X4（p＝0.001 3）和二次項X42（p＝0.000 1）均顯著影響產酶活力，而酵母粉質量濃度和培養基初始pH的交互項X4X2（p＝0.466 6）對產酶活力的影響并不顯著.二次回歸模型的R2＝0.986 4，擬合度較好.以酶活力為響應值（Y1）的二次回歸方程為

表4 Draper／Lin中心組合實驗設計及結果Table 4 Draper／Lin central composite experimental design and the corresponding results

表5 酶活力回歸分析結果Table 5 The regression analysis results for enzyme activity

根據模型預測，當酵母粉質量濃度和培養基初始pH分別為12.1 g／L和7.06時，酶活力達最大值，為1 013.9 U／mL.實驗結果表明：由質量濃度為9.5 g／L的NH4Cl和12.1 g／L的酵母粉組成的復合氮源較單一氮源更加促進菌體的產酶活力.

采用優化得到的培養基組成進行驗證實驗.三次重復實驗的平均酶活力為1 024.6 U／mL，較優化前提高了67%，且與響應面優化的模型預測值1 013.9 U／mL非常接近.

3 結 論

通過對耐酪氨酸冢村氏菌（Tsukamurellatyrosinosolvens）E105菌株發酵培養基中碳源和氮源的單因素試驗考察，確定了較佳的碳源和氮源種類.Plackett-Burman實驗結果表明：酵母粉質量濃度和培養基初始pH值對產酶影響顯著.采用中心組合實驗并結合響應面優化，得到最佳的培養基組成為：葡萄糖15 g／L，酵母粉12.1 g／L，NH4Cl 9.5 g／L，NaCl 0.6 g／L，MgSO4·7H2O 0.6 g／L，KH2PO41 g／L，K2HPO42 g／L，初始pH 為7.06.在優化的條件下，水解酶活力可達1 024.8 U／mL，較優化前提高了67%，該研究采用了一種生物催化制備左乙拉西坦手性中間體的新方法，具有較好的應用前景.

［1］ISOHERRANEN N，ROEDER M，SOBACK S，et al.Enantioselective analysis of levetiracetam and its enantionmer R-αethyl-2-O-1-pyrrolidineacetamide using gas chromatography and ion trap mass spectrometric detection［J］.Journal of Chromatography B，2000，745（2）：325-332.

［2］WU T，CHEN C C，CHEN T C，et al.Clinical efficacy and cognitive and neuropsychological effects of levetiracetam in epilepsy：an open-label multicenter study［J］.Epilepsy ＆Behavior，2009，16（3）：468-474.

［3］BOSCHI F，CAMPS P，FRANCHINI C F，et al.A synthesis of levetiracetam based on（S）-N-phenylpantolactam as a chiral auxiliary［J］.Tetrahedron Asymmetry，2005，16（22）：3739-3745.

［4］GIDAL B E，BALTèS E，OTOUL C，et al.Effect of levetiracetam on the pharmacokinetics of adjunctive antiepileptic drugs：a pooled analysis of data from randomized clinical trial［J］.Epilepsy Research，2005，64（1）：1-11.

［5］SNOECK E，JACQMIN P，SARGENTINI-MAIER mL，et al.Modeling and simulation of intravenous levetiracetam pharmacokinetic profiles in children to evaluate dose adaptation rules［J］.Epilepsy Research，2007，76（2）：140-147.

［6］DUDRA-JASTRZEBSKA M，ADRES-MACH M M，SIELSKI M，et al.Pharmacodynamic and pharmacokinetic interaction profiles of levetiracetam in combination with gabapentin，tiagabine and vigabatrin in the mouse pentylenetetrazole-induced seizure model an isobolographic analysis［J］.European Journal of Pharmacology，2009，605（1）：87-94.

［7］PATSALOS P N.Pharmacokinetic profile of levetiracetam：toward ideal characteristics［J］.Pharmcology ＆Therapeutics，2000，85（2）：77-85.

［8］CALLENBACH P M C，ARTS W F M，HOUTEN R T，et al.Add-on levetiracetam in children and adolescents with refractory epilepsy：result of an open-label multi-centre study［J］.Official Journal of the European Paediatric Neurology Society，2008，12（4）：321-327.

［9］GUO Tie-dong，OSWALD L M，MENDU D R，et al.Determination of levetiracetam in human plasma／serum／saliva by liquid chromatography-electrospray tandem mass spectrometry［J］.Clinica Chimica Acta，2007，375（1）：115-118.

［10］徐寶財，辛秀蘭，胡燕霞，等.（S）-α－乙基-2-氧代-1-吡咯烷基乙酰胺的合成工藝進展［J］.精細與專用化學品，2004，12（24）：15-17.

［11］KOTKAR S P，SUDALAI A.A short enantioselective synthesis of the antiepileptic agent，levetiracetam based on proline-catalyzed asymmetricα-aminooxylation［J］.Tetrahedron Letters，2006，47（38）：6813-6815.

［12］TUCKER J L，XU Lan，YU Wei-hong，et al.Chemoenzymatic process for preparation of levetiracetam：US，WO 2009／009117 A2［P］.2009-01-15.

［13］ATES C，SURTEES J，BUREANU A C，et al.Oxopyrrolidine compounds，preparation of said compounds and their use in the manufacturing of levetircetam and analogues：US，WO 2003／041080［P］.2003-02-20.

［14］FORCATO M，MICHIELETTO I，MARAGNI P，et al.Process for preparation of levetiracetam：US，2010／0076204 A1［P］.2010-03-25.

［15］王能強，吳堅平，鄒小明，等.α－氯丙酸脫鹵酶發酵培養基的響應面法優化［J］.化工學報，2007，58（1）：176-180.

［16］王普，孫立明，何軍邀.響應面法優化熱帶假絲酵母104菌株產羰基還原酶發酵培養基［J］.生物工程學報，2009，12（3）：863-868.

［17］LüGuo-yin，WANG Pu，HE Jun-yao，et al.Medium optimization for enzymatic production of L-cysteine by Pseudomonas sp.Zjwp-14 using response surface methodology［J］.Food Technology ＆ Biotechnology，2008，46（12）：395-398.

［18］KAUSHIK R，SARAN S，ISAR，et al.Statistical optimization of medium components and growth conditions by response surface methodology to enhance lipase production byAspergilluscarneus［J］.Journal of Molecular Catalysis B：Enzymatic，2006，40（3）：121-126.

Medium optimization forα-ethyl-2-O-1-pyrrolidineacetic acid ethyl ester hydrolase-producing strain using response surface methodology

YUAN Shuai，WANG Pu，HE Jun-yao
（College of Pharmaceutical Science，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China）

Response surface methodology was applied to optimize medium constituents for enzymatic production of （S）-α-ethyl-2-O-1-pyrrolidineacetic acid from racemicα-ethyl-2-O-1-pyrrolidineacetic acid ethyl ester by a novelTsukamurellatyrosinosolvensE105.The influences of carbon and nitrogen resources were investigated.Then the Plackett-Burman design experiment was used to evaluate the effects of different components in the culture medium，yeast extract and initial pH were found to be the most important factors among seven tested variables affecting enzyme activity.Central composite design and response surface analysis were subsequently employed for further optimization，and the optimal concentration of yeast extract was 12.1 g／L，with the optimal initial pH of 7.06.Under the optimum conditions，the maximum enzyme activity of 1024.6 U／mL in the experiment was obtained，corresponding to an increase of 67%in comparison with the original medium components.Medium optimization forTsukamurella tyrosinosolvensE105 could increase obviously its hydrolyase-producing capability of enzymatic preparation of（S）-α-ethyl-2-O-1-pyrrolidineacetic acid.

α-ethyl-2-O-1-pyrrolidineacetic acid ethyl ester；Tsukamurellasp.；hydrolase；response surface optimization

TQ920.1

A

1006-4303（2011）05-0536-05

2010-04-29

浙江省制藥重中之重學科開放基金資助項目（20100609）

袁 帥（1985—），男，江西新余人，碩士研究生，主要從事生物催化研究，E-mail：brandy101＠sina.com.通信作者：王普教授，E-mail：wangpu＠zjut.edu.cn.

（

劉 巖）